鈦及鈦合金TIG焊接的氣體保護(hù)措施和設(shè)備

摘 要：在鈦及鈦合金TIG焊接過程中，由于缺乏氣體保護(hù)措施和設(shè)備而產(chǎn)生的氣孔、裂紋等焊接缺陷筆筆皆是。本文針對鈦及鈦合金TIG焊接中氣體保護(hù)措施和設(shè)備的不足，對國內(nèi)外較為先進(jìn)的氣體保護(hù)措施和設(shè)備方法進(jìn)行簡要闡述，并結(jié)合有色及化工設(shè)備制造工藝特點(diǎn)，提出改善氣體保護(hù)措施和設(shè)備的對措，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鈦及鈦合金焊接;缺陷產(chǎn)生的原因淺析;保護(hù)措施和設(shè)備

1 前言

鈦及鈦合金作為較為新型的材料，由于具有特殊的抗腐蝕性能和良好的力學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于有色及化工各類設(shè)備中，如用于銅冶煉貴金屬車間反應(yīng)釜，各式輸送電解液的管道等。但鈦及鈦合金設(shè)備在制造過程中，由于其焊接性較差，因此對焊接工藝和技術(shù)性能提出了更高要求。

2 鈦及鈦合金的焊接缺陷以及產(chǎn)生的原因淺析

2.1氣體等雜質(zhì)污染傾向分析

常溫下工業(yè)純鈦比較穩(wěn)定，與氧生成了致密的氧化膜，同時(shí)具有了較高的抗腐蝕性能，但由于其在高溫下化學(xué)性能極其活潑，尤其是在熔融的狀態(tài)下尤為嚴(yán)重，幾乎能與所有的元素起作用，具有極強(qiáng)的吸收空氣中的氫、氧、氮的能力。降低了焊接接頭的塑性及韌性。因此在焊接時(shí)對超過250℃以上的焊縫及焊縫背面甚至熱影響區(qū)都要加以嚴(yán)格的保護(hù)。

2.2焊接裂紋傾向分析

焊接鈦材時(shí)極易受到氫、氧、氮等雜質(zhì)污染。尤其在350-400℃時(shí)開始大量吸氫，氫是鈦中最有害的元素之一，它能降低鈦的塑性及韌性，導(dǎo)致脆裂;在焊縫冷卻的過程中，氫從高溫熔池向較低的熱影響區(qū)擴(kuò)散時(shí)當(dāng)該區(qū)氫富集到一定程度將從固熔區(qū)中析出TiH2使之脆化，隨著TiH2析出，將產(chǎn)生較大的體積變化而引起了較大的內(nèi)應(yīng)力。上述因素促使了冷裂紋的生成，并且具有較強(qiáng)的延遲特性。

此外鈦在高于885℃時(shí)產(chǎn)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由α鈦轉(zhuǎn)變成β鈦，溫度再增加，β鈦的晶粒也急劇的增長，使性能迅速變壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛性大時(shí)，焊接拉應(yīng)力作用也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。如鈦材一旦沾染上鐵離子也會(huì)變脆，這也是導(dǎo)致鈦材產(chǎn)生焊接裂紋的原因之一。

2.3焊接氣孔傾向分析

氣孔在焊接中是最常見的缺陷之一，形成的原因很多，但一般認(rèn)為氫氣是形成氣孔的主要原因，常常集中出現(xiàn)在熔合線附近，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生在焊縫中心線附近，氫在鈦中的溶解度隨溫度的升高而降低，在凝固溫度處有躍變，由于熔池的中部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熔池的邊緣，故熔池中部的氫易向熔池邊緣擴(kuò)散富集。冷卻時(shí)來不及析出而聚成氣孔，因此防止焊縫氣孔的方法就是采用保護(hù)的方式去杜絕有害氣體的來源。防止焊接區(qū)被污染。

2.4接頭晶粒粗化傾向分析

由于鈦的熔點(diǎn)高，熱容量大，導(dǎo)熱性差，液態(tài)熔池金屬具有尺寸大，高溫停留時(shí)間長和冷卻速度慢的特點(diǎn)，在焊縫及近縫區(qū)容易產(chǎn)生過熱組織，使晶粒變得粗大，引起塑性和斷裂韌性降低。

3 鈦及鈦合金焊接的氣體保護(hù)措施和設(shè)備

基于鈦及鈦合金性質(zhì)非常活潑，與氧、氮、氫的親和力大，有色及化工工業(yè)上使用得最多的是TIG焊接。可分為局部保護(hù)法和充氬箱保護(hù)法兩大類型。局部保護(hù)法是利用噴嘴、拖罩和背面保護(hù)裝置來通以適當(dāng)流量的氬氣和氬氮混合氣體，把焊接高溫區(qū)與空氣隔開，以防止空氣侵入污染焊接區(qū)的金屬的方法。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)拖罩和背面保護(hù)時(shí)宜采用充氬箱保護(hù)法。充氬箱在焊前先抽真空然后再充氬，使焊件在充氬箱中處于整體氣體保護(hù)的氛圍中施焊。

3.1鈦材焊接之拖罩保護(hù)

圖2為國外生產(chǎn)的焊接用管道用的外拖罩和板材焊接用扁平拖罩。其主要為在焊接過程中需要高質(zhì)量氣體保護(hù)覆蓋的鈦及鈦合金而設(shè)計(jì)。有多種類型能適用于各種常見管道及全位置的鈦及鈦合金焊接。拖罩上裝有喉箍，方便固定有噴嘴上。內(nèi)部采用了多層氣體擴(kuò)散網(wǎng)可防止產(chǎn)生氣流紊流，始終保持層流狀態(tài)，并為熱影響區(qū)（HAZ）帶來了更好的氣體覆蓋率，使焊接保護(hù)氣體在焊接表面上廣泛均勻、緩慢地分散，避免湍流和低壓區(qū)域的產(chǎn)生以阻止氧氣從外面進(jìn)入;側(cè)壁密封件為柔性硅橡膠成分，耐溫達(dá)200℃以上，可在燃燒或者損壞后能單獨(dú)更換該部件。

國外品牌有英國HFT公司生產(chǎn)的Argweld、挪威Ti-Tech 公司生產(chǎn)的TrailingShield?，國內(nèi)暫無生產(chǎn)此類產(chǎn)品的，很多時(shí)候是僅是通過自制方法來獲得適合生產(chǎn)使用的拖罩，但較為簡陋，在實(shí)際應(yīng)用中在內(nèi)部網(wǎng)板可用氣體流態(tài)化板來代替使用效果會(huì)更佳。

3.2管道焊接用焊接氣囊保護(hù)

在傳統(tǒng)氬弧焊接操作中，大部分采用管道全部灌滿氬氣的方法，來達(dá)到管道內(nèi)部保護(hù)的目的，在充氬過程中氬氣浪費(fèi)嚴(yán)重。模塊化充氣氣囊系統(tǒng)是比較新型的管道焊接氣體保護(hù)措施方法。其配備專有的膀胱膨脹技術(shù)（BET），可以使一個(gè)氣囊裝置能適合多種管道尺寸，在管壁上形成不可滲透的氣密密封，來達(dá)到鈦管背面保護(hù)的目的。氣囊尺寸范圍從51 mm - 1219 mm。其工作過程：首先將凈化氣體保護(hù)帶（無膠焊接膠帶）來封堵焊口，然后再將模塊化充氣氣囊放入管道。配有發(fā)光指示器，可在根部間隙進(jìn)行精確對準(zhǔn)焊道中央。對氣囊內(nèi)通入氬氣，使氣囊充滿，用測氧儀來監(jiān)測氧氣含量，根據(jù)需要來設(shè)定氧含量值。經(jīng)試驗(yàn)直徑為DN350的管道，氧含量降低到1000ppm需要5分鐘，氧含量降低到100ppm需要10分鐘。管道內(nèi)的氧含量降低到焊接需要的設(shè)定值時(shí)，就可以進(jìn)行焊接了，當(dāng)然在焊接過程中還要保證持續(xù)的充氬。目前國外產(chǎn)品有美國AQUASOL焊接氣囊I-PURGE。

3.3 充氬箱保護(hù)

充氬箱保護(hù)可分為剛性充氬箱和柔性充氬箱兩種。剛性充氬箱多用不銹鋼制成，每一個(gè)性外殼都有一個(gè)氬氣入口和一個(gè)排氣閥，使用前先抽真空度至1.3×10-2Pa， 然后再充氬。借助箱體上的手套孔，在箱內(nèi)進(jìn)行焊接的方法。在航空工業(yè)上使用較多。而柔性充氬箱是為在剛性充氬箱在經(jīng)濟(jì)上不可行或空間可能有溢出的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。柔性充氬箱可用抽真空也通用多次折疊來排除箱內(nèi)空氣，在實(shí)際生產(chǎn)中方便攜帶甚至可以自制，是一種較為靈活的輕便的氣體保護(hù)措施。如圖4所示。

3.4氣體保護(hù)措施和設(shè)備的選擇和運(yùn)用

在銅冶煉中電解用的上清液管道基本上都是用TA1或TA2的工業(yè)純鈦來制造，如果沒有采用比較好的氣體保護(hù)措施尤其是現(xiàn)場裝配焊接，工藝條件的限制使得返修率較高，利用管道焊接用外拖罩加氣囊保護(hù)法，就可以取得良好的保護(hù)效果。

此外在焊接鈦及鈦合金管道時(shí)還可采用水溶紙和水溶性薄膜作為管道保護(hù)氣封堵材料。來做為管道內(nèi)氣體保護(hù)的措施。在在焊接完成后，封堵用的水溶紙和水溶性薄膜可以毫不費(fèi)力地用水溶解并沖走，在管道內(nèi)不留任何殘?jiān)?/p>

在焊接小型鈦及鈦合金零件時(shí)可以充分利用柔性充氬箱完美的氣體屏蔽效應(yīng)，防止氧化及焊接缺陷，從而提高焊接質(zhì)量。

4.結(jié)語

鈦及鈦合金的焊接方法及工藝可以參照GB/T 13149-2009 鈦及鈦合金復(fù)合鋼板焊接技術(shù)條件以及AWS D10.6D10.6M-2000鈦管GTAW焊接推薦工藝來焊接，本文僅對氣體保護(hù)措施和設(shè)備進(jìn)行簡要闡述。當(dāng)采用以上幾種氣體保護(hù)措施和設(shè)備時(shí)，鈦及鈦合金焊接在實(shí)際生產(chǎn)中均可取得良好的保護(hù)效果。焊道外觀基本上都可以獲得符合表1中的銀白、淺黃和金黃色。

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作者簡介：

鐘強(qiáng)昇（1974-），男， 福建長汀人，高級(jí)技師，研究方向設(shè)備維修與非標(biāo)制造。

（紫金銅業(yè)有限公司，福建 上杭 364204）